回坡底煤矿10 sup # _sup 煤复采工作面顶板控制技术研究与应用_李晨涛.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 0引言 受过去小煤窑破坏性开采以及技术条件的限制 因素， 我国矿区遗留了大量优质煤炭资源， 如今随着 技术水平及设备水平的提高， 通常对这些浪费资源进 行复采。 但是， 在遗煤复采过程中， 老窑遗留煤柱及采 空区通常较不稳定， 对回采工作面推进及支护影响极 大， 也有专家学者对此做了相应研究[1-5]。本文以霍州 煤电回坡底煤矿五采区 10煤复采工作面为研究背 景， 受过去小煤窑开采其上分层的破坏影响， 煤层再 生顶板破碎， 对回采支护影响较大， 亟需采用合理有 效的方法控制顶板下沉甚至垮落。现采用理论分析、 数值模拟、 现场实测等方法， 对工作面煤柱及老空区 稳定性做了详细研究， 并针对工作面过煤柱、 过空巷 时的顶板控制技术分别做了优化研究，经实际应用 后，顶板变形量及煤壁片帮程度均得到了有效控制， 从而可保证复采工作面稳定、 快速推进。 1工程概况 1.1工作面特征 霍州煤电集团回坡底煤矿 10- 501 综采工作面位 于矿井井田东北部五采区 556 水平，工作面标高 566m～613m， 地面标高 766m～912mm， 工作面地面 位于主副斜井工业广场、 大古村庄东北方向， 地表为 黄土梁垣地貌。地形最高点位于切巷上方 （912m ） ， 最低点位于工作面中部上方地面沟谷中 （766m ） ， 工 作面盖山厚度为 160～290m。10- 501 工作面走向长 度 1470m，倾向长度 250m， 10- 501 工作面为东五采 区首采面， 井下位于 556 水平大巷保安煤柱以南， 主 副斜井工业广场、 大古村庄保安煤柱东北方向， 工作 面东邻东五采区开拓大巷保安煤柱，南部尚未布置 工作面。 10- 501 工作面属于 10煤复采， 该煤层其上分层 已部分采空， 下分层少量采空， 现遗煤复采工作面采用 一次采全厚倾斜长壁后退式采煤法，规定采高不大于 3.0m， 工作面循环进度 0.6m， 切眼长度 230m， 选用 148 架 ZF6000/18/36 型 掩 护 式 液 压 支 架 和 6 架 ZFG6000/20/34H 型过渡支架，端头选用单体柱配合 π 型梁支护， 采用全部垮落法处理采空区顶板。受过 去小煤窑采掘破坏影响， 破坏区煤层再生顶板破碎， 对 回采支护影响较大， 10- 501 面掘进过程中共揭露小窑 破坏区 36 处， 其中 10- 5011 巷在掘进过程中揭露的小 回坡底煤矿 10煤复采工作面顶板控制技术研究与应用 李 晨 涛 （霍州煤电集团汾河焦煤股份有限公司回坡底矿 ，山西 洪洞 041602 ） 摘要 由于回坡底煤矿五采区 10煤层受过去小窑破坏性开采其上分层影响， 导致现复采工作面再 生顶板破碎， 控制难度较大。本文采用理论分析、 数值模拟、 现场监测等方法， 对复采工作面煤柱及空 巷稳定性进行了研究， 研究表明， 煤柱稳定性与其宽度呈正相关， 空巷稳定性与其跨度呈正相关， 采用 优化顶板控制技术可保证工作面在通过煤柱及空巷时围岩变形量控制在较小范围之内。 关键词 复采工作面 ； 顶板破碎 ； 顶板控制 中图分类号 TD327文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0063- 04 Research and Application of Roof Control Technology for 10Coal Mining Face in Huipodi Coal Mine LI Chentao （Huozhou Coal and ElectricityGroup Luhe CokingCoal Co., Ltd. HuipoBottomMine ， Shanxi Hongdong 041602 ） Abstract As the 10coal seamofHuipodi Coal Mine is affected bythe stratification ofthe destructive miningofsmall kiln in the past, the re- generative roof of the existing mining face is broken and the control is difficult. In this paper, theoretical analysis, numerical simulation, on- site monitoring and other s are used to study the stability of coal pillar and empty roadway in the mining face. The research shows that the stability ofcoal pillar is positively correlated with its width, and the stability ofthe empty lane is positively correlated with its span. The optimized roof control technology can ensure that the deation of the surrounding rock is controlled within a small range when the working face passes through the coal pillar and the empty lane. Key words complexminingface ; rooffracture ; roofcontrol 63 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 窑破坏区富水性强， 且破坏区煤层上覆一层 0.2～0.5m 厚黄泥伪顶， 显示此区域曾被地表雨水侵入。 1.2煤层特征 10- 501 工作面回采 10煤层，该煤层厚度 3.2～5.0m， 煤层倾角 1～5， 平均 2， 可采指数为 1， 结构简单。煤层顶底板岩性特征见表 1。 表 1煤层顶底板岩性特征 2上分层老空区与煤柱稳定性分析 2.1工作面顶板形态 如图 1 所示， 为 10- 501 复采工作面上分层遗煤 形态及工作面回采示意图， 可见， 当进行 10煤下分 层复采时， 复采工作面顶板上方情况可大概归纳为两 类， 即顶煤 老空区、 顶煤 旧窑遗留煤柱。 图 110- 501 工作面回采示意图 10 煤层下部遗煤为复采的主体煤层， 其遗煤平 均厚度 4m 左右， 最大厚度 5m， 该煤层结构简单， 煤 层倾角较小， 属于近水平煤层。由于顶部煤层部分采 空， 现造成复采采场局部煤层疏松、 潮湿， 局部含矸石 1- 2 层， 矸石厚度 0.1～0.3m； 同时， 再生顶板破碎不稳 定， 回采支护难度较大， 围岩控制效果不佳。 2.2老空区围岩稳定性数值模拟研究 为了解复采工作面上方老空区跨度对围岩稳定 性的影响，建立 10010030m（长宽高） 的 FLAC3D 模型，模型 X 轴方向为工作面推进方向， Y 轴为工作面长度布置方向，限制模型水平垂直位移， 并施加合理覆岩载荷，分别模拟老空区跨度 10m、 20m、 25m、 30m，依据模拟结果的围岩塑性区分布特 征分析围岩稳定性， 如图 2 所示。 由图 2 可知，当老空区跨度从 10m 增加到 20m 时， 底板和两帮围岩塑性破坏程度逐渐增大， 但顶板 基本能够保持稳定；当老空区跨度由 20m 增加到 30m 时， 顶板破坏程度明显增加， 且两底角破坏程度 也较为明显，塑性区分布与 20m 跨度前形成鲜明的 对比； 从图 2 （d ） 中可看出， 此时围岩已经严重破坏， 老空区顶板已完全垮落。 （a） 10m（b） 20m （c） 25m（d） 30m 图 2不同跨度老空区下围岩塑性区分布 2.3遗留煤柱稳定性数值模拟研究 应用上文建立的模型，模拟老空区跨度为 20m 时， 遗留煤柱宽度分别为 10m、 12m、 14m、 16m 时煤柱 的稳定性。 如图 3 为不同煤柱宽度下的围岩塑性区分布特 征， 随着煤柱宽度的不断加大， 煤柱下边缘两侧的塑 性破坏区范围逐渐减小， 煤体屈服破坏有趋于稳定的 趋势； 当煤柱宽度大于 14m 时， 煤柱边缘侧仍在发生 塑形变形， 但煤柱基本可保持稳定状态。 （a ） 10m（b）12m （c ）14m（d）16m 图 3不同宽度煤柱下围岩塑性区分布 3工作面回采顶板控制技术 3.1工作面过煤柱顶板控制技术 在 10- 501 复采工作面向前推进通过上方老窑煤 柱时， 由于采动影响和围岩条件， 煤柱和工作面顶板 均会出现应力集中明显现象， 加之复采工作面本身顶 板破碎不易控制， 所以需采取实际有效的方法应对应 力集中问题， 现根据煤柱稳定性分析结果及工程现场 考察， 采用以下综合方式 顶底板 名称 厚度 /m 岩石名称岩性特征 老顶3.6中粒砂岩 灰白色， 砂质结构， 中厚层状构造， 层理发育， 坚 硬稳定性较好。 直接顶5.75砂质泥岩 浅灰色， 泥质结构， 厚层状构造， 较为稳定,部分 区域受上分层采空影响冒落。 底板5.2砂质泥岩 深灰色， 泥质结构， 厚层状构造， 含植物化石， 质 软。 老底3.6粉砂岩灰黑色， 砂质结构， 厚层状构造， 层理发育。 64 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 1 ） 超前探测。在现场借助可用探测工具， 采用物 探、 钻探等技术手段， 对复采工作面预采前方煤体和 老空区赋存状态进行提前勘探分析， 并评价其赋存稳 定性， 以防止回采过程中煤柱突然失稳或老空区坍塌 对工作面带来影响。 2 ） 煤柱预爆技术。 针对老窑遗留煤柱体范围内的 高应力集中现象， 在复采工作面推进过程中， 为防止 老窑遗留煤柱突然性失稳， 可预先采用对工作面前方 煤柱超前爆破松动的措施，从而可完成预先卸压， 有 效减弱工作面顶板上方整体煤岩结构的物理力学强 度， 降低应力集中对工作面的破坏影响。 3 ） 顶板支护。在 10- 501 回采工作面完成割煤、 移架、 推溜工序后， 需对工作面顶板进行及时支护。 在 上文数值模拟过程中， 除了对煤柱宽度影响下的塑性 区变化进行了分析外， 还对工作面推进过程中的煤柱 体应力变化进行了总结， 如图 4。 可知， 工作面回采过 程中， 应保证足够的支护强度及控顶距， 同时需减小 顶板裸漏面积， 必要时采取临时支护措施， 对破碎冒 落处顶板进行充填或注浆。 （a ）过老空区时（b）过遗留煤柱时 图 4煤柱体应力分布情况 3.2工作面过空巷顶板控制技术 1 ） 选择合适采高和控顶距离。工作面过空巷时， 工作面与空巷贯通使得空顶范围增加， 为防止冒顶事 故发生，应适当降低采高和控顶距缓解顶板下沉， 由 回采经验及理论计算得知，工作面采高不得忽高忽 低， 应严格控制在 2.5m 左右， 最大控顶距 5325m， 最 小控顶距 4725m。 2 ） 选择合适初撑力。复采煤层中顶板以护为主， 保证支架顶梁平直， 支架初撑力平均不小于 2MPa， 局 部支架可以为零。 3 ） 更改端头支护形式。 使用单体柱直接支护棚梁 并使用木楔子楔牢。 4 ） 高水速凝材料充填空巷。 高水速凝材料具有一 定的抗压强度，在受压时可产生较大的塑性变形空 间， 并拥有持续较久的抗压强度， 利用此材料填充老 空区可有效增强其抗压强度、 降低其流变性能， 从而 阻止采场顶板下沉垮落。 此外， 该充填材料使用方便， 填充操作简单， 成本较低。 4应用效果分析 在 10- 501 复采工作面应用上文顶板控制技术方 案后， 在工作面推进过程中， 利用顶板离层仪、 激光测 距仪分别监测顶板、 两帮位移变形， 共布置三组测站。 其中， 1、 2测站布置在运输巷距切眼 40m（煤柱） 、 80m处 （空巷 ） ， 3 测站布置在回风巷距切眼 50m处， 顶板离层监测结果绘制成曲线如下图 5 所示。可见， 在复采工作面采动影响下，顶板浅基点离层变化明 显， 但值很小， 最大离层值不到 7mm， 且深基点未发 生离层。 据以上监测结果及现场观测， 未发现有明显的顶 板垮落、 片帮事故发生， 说明顶板控制技术效果良好， 可保证复采工作面稳定， 快速推进。 （a ）1 测点（b）2 测点 图 5顶板离层监测结果 5结论 1 ） 老空区稳定性与老空区跨度呈正相关， 遗留煤 柱稳定性与煤柱宽度呈正相关； 2 ） 当老空区跨度小于 20m 时， 围岩塑性区分布 较小， 跨度大于 20m 时， 老空区顶板塑性区范围明显 增加； 3 ） 当煤柱宽度小于 14m 时， 煤柱边缘侧塑性区 分布较大， 当宽度大于 14m 时， 煤柱边缘侧塑性区范 围增加不再明显， 煤柱基本保持稳定； 4 ） 优化顶板控制技术可保证采场及回采巷道围 岩位移量控制在较小范围之内， 从而达到复采工作面 稳定、 快速推进的目的。 参考文献 [1] 杨本生,洛 锋,刘超,等.碎裂顶板固结综采复采技术应用 [J].中国煤炭,2009,35 （12） 55- 61. 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[5] 牛利凯,郭育霞,冯国瑞,等.厚煤层刀柱采空区下分层复 采工作面矿压规律研究[J].煤炭技术,2018,37 （08） 59- 61. 作者简介 李晨涛， 男， 1988 年 12 月出生， 汉族， 山西阳泉人， 2014 年 2 月毕业中国石油大学 （华东学院） ， 采矿工程专业， 本科 学历， 助理工程师， 现任霍州煤电集团汾河焦煤股份有限公 司回坡底矿综采一队技术员。 （收稿日期 2019- 8- 1） 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 图 69104 工作面单组钻孔剖面示意图 4.4注浆堵水钻孔施工顺序 9104 回风顺槽 （9104 运输顺槽 ） 注浆堵水钻孔至 靠近工作面切眼区域开始施工， 单组钻孔施工顺序为 1→2→3→4。 4.5钻孔设备及材料 本次 9104 工作面底板治理工程使用 ZDY- 1250 分体式钻机， ZBYSB320/8- 22 型注浆泵， JB1000 型搅 拌桶， 3NB- 250/6- 15 型复式泥浆泵。 钻杆 Φ50mm1500mm 光滑钻杆， 总长度不小 于 150m。 钻头 φ75mm无芯钻头， 采用水排渣钻进。 孔口管 φ108mm1000mm。 其它材料 孔口闸阀 （法兰盘接口、 4 寸管阀门 ） 、 42.5普通硅酸盐水泥、 早强剂等材料。 4.6注浆工艺 1 ） 注浆前， 对钻孔进行压水， 主要目的是疏通注 浆管路及孔内岩石裂隙、 测定单位受注层段吸水率。 2 ） 调试浆液开始按规定压力注浆， 注浆期间现场 交接班， 保障注浆机器连续运转， 注浆量根据实际情 况定量。 3 ） 当注浆压力保持不变， 吸浆量均匀减少时， 或 当吸浆量不变压力， 压力均匀升高时， 注浆工作应持 续下去， 一般不得改变水灰比； 4 ） 一般注浆工作必须连续进行， 直至结束。 5 ） 泵量稳定在 40 ～60L ／min， 注浆孔孔口压力 达到终孔压力 （注浆终压一般取大于含水层静水压力 的 2 倍 ） 技术要求， 持续时间不低于 30min， 即可结束 注浆。 5结 论 本次七一煤矿 9104 工作面面临不同类型水害威 胁， 治理难度大， 结合以往防治水工作经验， 采用多种 手段， 针对不同水害提出针对性防治措施， 是对 “防、 堵、 疏、 排、 截” 防治水措施的一次典型的综合应用， 是 一种有效可行的办法， 适用于相似区域的水害防治。 参考文献 [1] 聂浩刚， 董福辰， 赵维宽， 等.东胜煤田含煤岩系层序地层 特征与聚煤规律分析 [J]. 中国煤炭地质， 2011， 23 （2） 10- 16. 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